摘 要：介绍了生物预处理工艺的作用及反应机理，常用工艺形式的特点。
关键词：生物预处理工艺；生物接触氧化工艺；悬浮填料氧化工艺；曝气生物滤池工艺
生物预处理是指在常规的净水工艺之前增设生物处理单元，借助于生物群体的新陈代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除的净水工艺。
1 生物预处理工艺的作用及机理
对源水进行生物预处理既能改善水的混凝沉淀性能，减轻了常规处理和后续处理过程的负荷。又能通过对可生物降解的有机物的去除，减少了水中“三致”物前体物的含量，减少了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺，不仅起到了预氯化作用相同的效果。而且避免了由预氯化引起卤代有机物的生成，这对降低水的致突变活性、控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。
研究表明，增加生物预处理后，常规处理的加矾量可减少20～40%，消毒加氯量可减少10～15%，从而降低了常规处理的费用。
生物预处理对氨氮、CODMn、铁和锰等有一定的去除效果，尤其是对氨氮的去除效果非常理想，通过曝气也能增加水中的溶解氧。氮是微污染水处理中的主要去除对象，它在原水中以有机氮、氨、亚硝酸盐和硝酸盐的形式存在，对饮用水的安全构成一定的威胁。虽然水中存在氨对人体健康不造成直接明显的危害，但氨是自养菌繁殖的电子供体，在处理厂和配水系统中，氨氮浓度达到0.25mg/l，供水中残余的氨会使配水管网中的硝化菌生长，而硝化菌和氨放出的有机物会造成嗅味问题；氨形成氯胺也要消耗大量的氯，降低消毒效率，而且由氯生成的消毒副产物可能对人体有“三致”作用。在较高溶解氧状态下，生物膜中的亚硝化菌群和硝化菌群占有较大优势，亚硝化细菌利用氨氮作为基质，进行亚消化反应，生成亚硝酸氮和水，并放出能量和使PH值降低；硝化细菌利用亚硝化反应的产物亚硝酸氮为基质，进行硝化反应，生成硝酸氮，放出能量，其反应式如下：
亚硝化反应：
硝化反应：
在进行亚硝化反应和硝化反应的同时，一部分异氧型微生物将一些碳源有机污染物分解成CO2和H2O，其反应式如下：氧化反应：
2 常用的生物预处理工艺概述
当前，给水生物预处理工艺主要有（1）生物接触氧化工艺；（2）悬浮填料流化床工艺；（3）曝气生物滤池工艺。
2.1 生物接触氧化工艺概述
2.1.1 反应机理
生物接触氧化法是在池内设置人工合成的填料，已经充氧的污染原水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料，通过填料上形成的生物膜的絮凝吸附、氧化作用使水中的可生化利用的污染物基质得到降解去除。它属生物膜法的一种，主要由池体、填料、布水装置和曝气系统4部分组成。生物接触氧化法对源水中氨氨、溶解性可生物降解有机物、铁、锰、浊度和藻类等均有较好的去除效果。
2.1.2 存在问题
生物接触氧化池工程实例较多，有较为丰富的运行经验，适合于较高浓度的微污染原水的处理，但也存在一下缺点：
2.1.3 对氨氮的处理效果较差，进水氨氮较低的情况下（1～2mg/L），一般在60%左右，温度低时，效果较差；
2.1.4 水力停留时间较长，一般需要1～2小时，占地面积较大。
2.1.5 滤料表面光滑，比表面小，启动和挂膜周期长；
2.1.6 生物膜容易老化，由于曝气强度较低，无法及时脱膜，结果滤料表面结块、积泥，排泥困难；同时接触氧化法生物较丰富，一些高等生物容易在池内生长，影响到弹性填料的处理效果；
2.1.7 生物接触氧化池采用的非颗粒性塑料填料普遍存在不易反冲洗，需要周期性的对填料上的污泥进行脱膜，采用膜式曝气管，维护工作量大。
2.2 悬浮填料流化床工艺概述
2.2.1 反应机理
悬浮填料硫化床工艺属于生物接触氧化工艺的一种，其作用机理与生物接触氧化工艺相同。但由于采用了新型填料，相对于弹性填料，该填料具有比表面积大、反应形态好、氧利用率高、生物膜不易堵塞、更新快、工程实施简单等优点。
2.2.2 存在问题
1）悬浮填料容易孳生贝类，填料易沉入池底、死角。在运行中悬浮球被空气吹浮的过程中往往挤成一堆，很难作到填料在池中均匀地悬浮造成厌氧状态，生物膜变黑，不利于硝化反应。
2）悬浮填料是在流化过程中碰撞容易损耗。更为重要的是悬浮填料达到流化状态所需气水比较大，运行成本也较高，运行数年后填料老化需停池放空更换，填料费用较高。悬浮填料流化床的接触时间较长，占地面积大。
2.3 曝气生物滤池工艺概述
2.3.1 反应机理
在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物膜量的强氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时，因污水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出，此为截留作用；运行一定时间后，因水头损失增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。因此，曝气生物滤池同时具有去除SS、COD、BOD5、硝化、脱氮等作用。
2.3.2 存在问题
间歇反冲过滤生物滤池由于堵塞问题使得其应用受限，目前应用较好的典型工艺（主要用于污水处理）为轻质滤料生物滤池（威立雅公司）及重滤料生物滤料（得利满），主要原因是设置了预沉淀，使进入滤池的SS为小于60mg/l。该工艺用于给水预处理时，由于地表水浊度变化大严重影响其生物处理效果是其主要问题，且反冲洗后生物膜需要一定周期恢复。
3 结 语
生物预处理工艺是目前解决水厂原水氨氮超标，最经济有效的方法，在源水水质受到污染的情况下，其应用必将越来越广泛。但原水的氨氮浓度一年中变化较大，并长期处于0.5～1.0mg/L的较低范围，使生物膜长期处于营养贫乏状态，氨氮浓度忽然升高时，如何有效应对，是生物预处理工艺需要解决的问题之一。
关键词：生物预处理工艺；生物接触氧化工艺；悬浮填料氧化工艺；曝气生物滤池工艺
生物预处理是指在常规的净水工艺之前增设生物处理单元，借助于生物群体的新陈代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除的净水工艺。
1 生物预处理工艺的作用及机理
对源水进行生物预处理既能改善水的混凝沉淀性能，减轻了常规处理和后续处理过程的负荷。又能通过对可生物降解的有机物的去除，减少了水中“三致”物前体物的含量，减少了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺，不仅起到了预氯化作用相同的效果。而且避免了由预氯化引起卤代有机物的生成，这对降低水的致突变活性、控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。
研究表明，增加生物预处理后，常规处理的加矾量可减少20～40%，消毒加氯量可减少10～15%，从而降低了常规处理的费用。
生物预处理对氨氮、CODMn、铁和锰等有一定的去除效果，尤其是对氨氮的去除效果非常理想，通过曝气也能增加水中的溶解氧。氮是微污染水处理中的主要去除对象，它在原水中以有机氮、氨、亚硝酸盐和硝酸盐的形式存在，对饮用水的安全构成一定的威胁。虽然水中存在氨对人体健康不造成直接明显的危害，但氨是自养菌繁殖的电子供体，在处理厂和配水系统中，氨氮浓度达到0.25mg/l，供水中残余的氨会使配水管网中的硝化菌生长，而硝化菌和氨放出的有机物会造成嗅味问题；氨形成氯胺也要消耗大量的氯，降低消毒效率，而且由氯生成的消毒副产物可能对人体有“三致”作用。在较高溶解氧状态下，生物膜中的亚硝化菌群和硝化菌群占有较大优势，亚硝化细菌利用氨氮作为基质，进行亚消化反应，生成亚硝酸氮和水，并放出能量和使PH值降低；硝化细菌利用亚硝化反应的产物亚硝酸氮为基质，进行硝化反应，生成硝酸氮，放出能量，其反应式如下：
亚硝化反应：
硝化反应：
在进行亚硝化反应和硝化反应的同时，一部分异氧型微生物将一些碳源有机污染物分解成CO2和H2O，其反应式如下：氧化反应：
2 常用的生物预处理工艺概述
当前，给水生物预处理工艺主要有（1）生物接触氧化工艺；（2）悬浮填料流化床工艺；（3）曝气生物滤池工艺。
2.1 生物接触氧化工艺概述
2.1.1 反应机理
生物接触氧化法是在池内设置人工合成的填料，已经充氧的污染原水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料，通过填料上形成的生物膜的絮凝吸附、氧化作用使水中的可生化利用的污染物基质得到降解去除。它属生物膜法的一种，主要由池体、填料、布水装置和曝气系统4部分组成。生物接触氧化法对源水中氨氨、溶解性可生物降解有机物、铁、锰、浊度和藻类等均有较好的去除效果。
2.1.2 存在问题
生物接触氧化池工程实例较多，有较为丰富的运行经验，适合于较高浓度的微污染原水的处理，但也存在一下缺点：
2.1.3 对氨氮的处理效果较差，进水氨氮较低的情况下（1～2mg/L），一般在60%左右，温度低时，效果较差；
2.1.4 水力停留时间较长，一般需要1～2小时，占地面积较大。
2.1.5 滤料表面光滑，比表面小，启动和挂膜周期长；
2.1.6 生物膜容易老化，由于曝气强度较低，无法及时脱膜，结果滤料表面结块、积泥，排泥困难；同时接触氧化法生物较丰富，一些高等生物容易在池内生长，影响到弹性填料的处理效果；
2.1.7 生物接触氧化池采用的非颗粒性塑料填料普遍存在不易反冲洗，需要周期性的对填料上的污泥进行脱膜，采用膜式曝气管，维护工作量大。
2.2 悬浮填料流化床工艺概述
2.2.1 反应机理
悬浮填料硫化床工艺属于生物接触氧化工艺的一种，其作用机理与生物接触氧化工艺相同。但由于采用了新型填料，相对于弹性填料，该填料具有比表面积大、反应形态好、氧利用率高、生物膜不易堵塞、更新快、工程实施简单等优点。
2.2.2 存在问题
1）悬浮填料容易孳生贝类，填料易沉入池底、死角。在运行中悬浮球被空气吹浮的过程中往往挤成一堆，很难作到填料在池中均匀地悬浮造成厌氧状态，生物膜变黑，不利于硝化反应。
2）悬浮填料是在流化过程中碰撞容易损耗。更为重要的是悬浮填料达到流化状态所需气水比较大，运行成本也较高，运行数年后填料老化需停池放空更换，填料费用较高。悬浮填料流化床的接触时间较长，占地面积大。
2.3 曝气生物滤池工艺概述
2.3.1 反应机理
在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物膜量的强氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时，因污水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出，此为截留作用；运行一定时间后，因水头损失增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。因此，曝气生物滤池同时具有去除SS、COD、BOD5、硝化、脱氮等作用。
2.3.2 存在问题
间歇反冲过滤生物滤池由于堵塞问题使得其应用受限，目前应用较好的典型工艺（主要用于污水处理）为轻质滤料生物滤池（威立雅公司）及重滤料生物滤料（得利满），主要原因是设置了预沉淀，使进入滤池的SS为小于60mg/l。该工艺用于给水预处理时，由于地表水浊度变化大严重影响其生物处理效果是其主要问题，且反冲洗后生物膜需要一定周期恢复。
3 结 语
生物预处理工艺是目前解决水厂原水氨氮超标，最经济有效的方法，在源水水质受到污染的情况下，其应用必将越来越广泛。但原水的氨氮浓度一年中变化较大，并长期处于0.5～1.0mg/L的较低范围，使生物膜长期处于营养贫乏状态，氨氮浓度忽然升高时，如何有效应对，是生物预处理工艺需要解决的问题之一。
